隨著科技進(jìn)步及高科技產(chǎn)物的呈現(xiàn)，在當(dāng)今石化能源日趨緊張的時(shí)代，利用風(fēng)資源和太陽能發(fā)電廣泛受到重視。由于這兩者受地理分布、季節(jié)變化和晝夜交替等因素影響，穩(wěn)定性不強(qiáng)，但在時(shí)間和地域上具有很好的互補(bǔ)性和獨(dú)立性。例如在整幢大型高層寫字樓里，不妨利用耗電大的中央空調(diào)排風(fēng)資源和充裕的太陽光來實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，并以蓄電池組作為儲能設(shè)備，確保長期穩(wěn)定的輸出電能，以備自然資源不能滿足負(fù)荷時(shí)使用。
1 中央空調(diào)排風(fēng)及太陽能互補(bǔ)發(fā)電依據(jù)的基本原理
1.1 空氣流的連續(xù)性原理
低速空氣流是連續(xù)的、不可壓縮的，根據(jù)流體力學(xué)的流體連續(xù)性原理可知，流過截面積S 的流體與其流速V 之間有如下關(guān)系：

式(1)中，S1 為過流斷面1 的面積，m2；V1 為過流斷面1的流速，m3/s；S2 為過流斷面2 的面積，m2；V2 為過流斷面2 的流速，m3/s。
要使風(fēng)速提高1 倍，可將通風(fēng)的截面積縮小一半。假如建成一個(gè)喇叭口型的通風(fēng)道，進(jìn)口端的截面積是出口端的截面積的n 倍，那么出口端的風(fēng)速將會(huì)是進(jìn)口端的自然風(fēng)速的n 倍。
1.2 太陽能光伏發(fā)電基本原理
太陽能電池的原理是基于半導(dǎo)體的光生伏應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，由半導(dǎo)體材料組成的光生單元吸收后將電子從原子中釋放出來，電子在半導(dǎo)體材料中移動(dòng)產(chǎn)生了電流。光生伏應(yīng)簡稱光伏效應(yīng)，是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。
ID （二極管電流） 為PN 結(jié)（P 型半導(dǎo)體與N 型半導(dǎo)體制作片的交界面就形成空間電荷區(qū)，稱為PN 結(jié)）的結(jié)電流，其表達(dá)式為：

式(2)中，I0 為光伏電池在無光照時(shí)的飽和電流，A，主要與半導(dǎo)體的材料因數(shù)有關(guān)；q 為電子電荷，1.6×10- 19C；E 為光伏電的電動(dòng)勢，V；A 為二極管理想常數(shù)，取1；K 為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10- 23 J/K；T 為溫度，K。
1.3 控制器原理
控制器是對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負(fù)載或交流負(fù)載，另一方面把多余的能量按蓄電池組的特性曲線對蓄電池進(jìn)行充電，當(dāng)所發(fā)電能不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器又會(huì)把蓄電池的電能送往負(fù)載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充；當(dāng)蓄電池所儲存的電能放完時(shí)，控制器要控制蓄電池不能被過放電，保護(hù)蓄電池。
1.4 蓄電池原理
蓄電池工作原理是：充電時(shí)利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲存為化學(xué)能，需要放電時(shí)再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時(shí)還要能存儲滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能滿足夜晚照明的需要；蓄電池過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時(shí)造成浪費(fèi)。
2 中央空調(diào)排風(fēng)及太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)方案
2.1 中央空調(diào)排風(fēng)及太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的配置
中央空調(diào)排風(fēng)及太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)（見圖1），包括中央空調(diào)組排風(fēng)口、喇叭形風(fēng)能收集器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、增速器、光伏電池組件、電壓電流檢測、光照傳感器、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、蓄電池、逆變器和負(fù)載等。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖
詳見圖1，喇叭形風(fēng)能收集器設(shè)置在中央空調(diào)組排風(fēng)口且大口正向迎中央空調(diào)的排風(fēng)，并設(shè)計(jì)成封閉式結(jié)構(gòu)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組位于喇叭形風(fēng)能收集器的小口端，利用圍封的設(shè)計(jì)可使風(fēng)力流經(jīng)該處時(shí)加以集中進(jìn)而加快風(fēng)速，提升各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。增速機(jī)位于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，大齒輪套小齒輪、一頭低速端一頭高速端，再通過變速箱高速帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。電能輸入至風(fēng)光互補(bǔ)控制器中。
光伏電池組件在太陽光的照射下，產(chǎn)生的電能經(jīng)電壓電流檢測之后輸入至風(fēng)光互補(bǔ)控制器。太陽能發(fā)電裝置中的光照傳感器，通過巧妙的設(shè)計(jì)使得太陽能電池板始終朝向光強(qiáng)大的方向，達(dá)到自動(dòng)跟蹤的效果。
風(fēng)光互補(bǔ)控制器是中央空調(diào)排風(fēng)發(fā)電和太陽能發(fā)電的充放電控制器，可控制多路風(fēng)能和太陽能電池方陣對蓄電池充電。蓄電池可儲存在中央空調(diào)開啟使用時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電能及有光照時(shí)太陽能電池板所發(fā)出的電能，到需要時(shí)再釋放出來。逆變器可將儲存在蓄電池中的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，供負(fù)載使用。
2.2 中央空調(diào)排風(fēng)及太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的分析和實(shí)施
2.2.1 中央空調(diào)排風(fēng)發(fā)電裝置的分析
中央空調(diào)排風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)中，喇叭形風(fēng)能收集器置于中央空調(diào)組的強(qiáng)力排風(fēng)后且大口正向迎空調(diào)排風(fēng)，根據(jù)根據(jù)流體力學(xué)的流體連續(xù)性原理見式(1)，要使風(fēng)速提高n 倍，可將通風(fēng)的截面積縮小n 倍。中央空調(diào)排風(fēng)流入這個(gè)喇叭形風(fēng)能收集器后，由于其面積的收縮，流速隨之加大，當(dāng)出口端的截面積縮小n 倍，出口端的風(fēng)速將增大至進(jìn)口端的自然風(fēng)速的n 倍。
這個(gè)喇叭形風(fēng)能收集器的縱截面，可設(shè)計(jì)成雙曲線母線構(gòu)成的光滑曲面，可做成整圓形或非整圓形且是封閉的，可單個(gè)或多個(gè)組成陣列使用，這樣使風(fēng)力在管道內(nèi)流動(dòng)聚焦時(shí)的能量損失小，其規(guī)律符合流體的連續(xù)性理論。這個(gè)也是整個(gè)系統(tǒng)新穎性的關(guān)鍵所在。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組位于喇叭形風(fēng)能收集器的小口端，利用圍封的設(shè)計(jì) （見圖 2）可使風(fēng)力流經(jīng)該處時(shí)加以集中，進(jìn)而加快風(fēng)速，使下一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)能快速轉(zhuǎn)動(dòng)。依次類推，從而可更充分利用中央空調(diào)排風(fēng)的風(fēng)能來提升各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)葉固定在帶有增速器的發(fā)電機(jī)主軸上，當(dāng)中央空調(diào)排風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)葉，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，切割磁場產(chǎn)生電能。位于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸中的增速器的設(shè)計(jì)，是大齒輪套小齒輪、一頭低速端一頭高速端，進(jìn)而扭矩增大，再通過變速箱變速使得主軸加速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能輸出至風(fēng)光互補(bǔ)控制器。

圖2 圍封的設(shè)計(jì)
2.2.2 太陽能發(fā)電裝置的分析
在太陽能發(fā)電裝置中，由于光照傳感器的設(shè)置在光伏電池組件上，利用光伏電池組件可主動(dòng)追蹤太陽并產(chǎn)生電能，經(jīng)電壓電流檢測之后輸出至風(fēng)光互補(bǔ)控制器。其中的電壓電流檢測的設(shè)計(jì)可避免數(shù)模轉(zhuǎn)換器等引起的能量消耗并簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可無損耗地將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。
光照傳感器的設(shè)計(jì)又是系統(tǒng)新穎性關(guān)鍵之一（見圖3），利用控制電機(jī)W1 連接和電池板固定在一塊的傳動(dòng)桿L1，通過電機(jī)帶動(dòng)電池板來追蹤太陽在水平方向上的變化；利用控制電機(jī)W2 連接絲桿L2，在固定W2的條件下，通過螺母Q 沿著絲桿L2 上下移動(dòng)，可使電池板的一端上下運(yùn)動(dòng)，來追蹤太陽在垂直方向的變化，使得太陽能電池組件始終朝向光強(qiáng)大的方向，達(dá)到自動(dòng)跟蹤的效果。

圖3 光照傳感器設(shè)計(jì)
2.2.3 風(fēng)光互補(bǔ)控制器的分析
風(fēng)光互補(bǔ)控制器是充放電控制器，也這個(gè)系統(tǒng)的核心，主要由DC- DC 變換器（直流電路中將一個(gè)電壓值的電能變?yōu)榱硪粋€(gè)電壓值的電能的裝置） 和MPPT 控制器（大功率點(diǎn)跟蹤太陽能控制器） 組成。它不僅對中央空調(diào)排風(fēng)發(fā)電輸出的不穩(wěn)定交流電和太陽能電池方陣產(chǎn)生的不穩(wěn)定直流電都轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電后輸出給蓄電池，并控制多路風(fēng)能和太陽能發(fā)電輸出時(shí)對蓄電池的充電控制，同時(shí)也控制蓄電池的放電過程。這個(gè)風(fēng)光控制器對風(fēng)力發(fā)電的控制，主要是對在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中大功率、負(fù)載功率和超速保護(hù)的控制?？刂破骺蓪?shí)現(xiàn)大功率追蹤，可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的磁電限速保護(hù)控制，可在機(jī)組發(fā)電過功率時(shí)，給發(fā)電機(jī)提供反向轉(zhuǎn)矩，從而降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速。
這個(gè)風(fēng)光控制器對太陽能發(fā)電的控制，主要是根據(jù)光照條件，通過大功率追蹤控制，使太陽能電池組盡可能多地捕獲光能，保證整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
2.2.4 儲能裝置部分的分析
在這個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，如圖1 所示中的儲能裝置包括蓄電池和逆變器。其中蓄電池起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用，將中央空調(diào)使用時(shí)產(chǎn)生風(fēng)能發(fā)電及有光照時(shí)太陽能電池板發(fā)電輸出的電能轉(zhuǎn)化成直流電儲存起來，到需要時(shí)再加以釋放，并調(diào)節(jié)和控制整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。由于風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電是2 個(gè)獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，通過蓄電池的調(diào)節(jié)可使兩者更好結(jié)合，成為更*的供電系統(tǒng)。
逆變器是由1 臺或幾臺逆變器組成，具有自動(dòng)穩(wěn)壓作用，將儲存在蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的220V 交流電并能供負(fù)載使用。它可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。逆變器要具有合理的電路結(jié)構(gòu)，具備各種保護(hù)功能，這樣整機(jī)的效率高，輸出的電壓波形的失真度就小[6]。
2.2.5 互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的具體實(shí)施
中央空調(diào)排風(fēng)及太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的具體實(shí)施：當(dāng)中央空調(diào)組使用時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)能流入喇叭形風(fēng)能收集器，由于其面積的收縮，流速隨之加大，流經(jīng)喇叭形風(fēng)能收集器的后端管道時(shí)風(fēng)速加大。而后端管道內(nèi)裝有多個(gè)帶增速器的風(fēng)葉風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)能推動(dòng)風(fēng)葉帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，切割磁場產(chǎn)生電能。依次類推，圍封的設(shè)計(jì)可使下一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)能更快速地轉(zhuǎn)動(dòng)。由于增速器的設(shè)計(jì)，是大齒輪套小齒輪、一頭低速端一頭高速端，進(jìn)而扭矩增大，再通過變速箱變速使得主軸加速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能輸出至風(fēng)光互補(bǔ)控制器。當(dāng)太陽高照時(shí)，帶有光照傳感器的光伏電池組件可主動(dòng)追蹤太陽光并產(chǎn)生電能，經(jīng)電壓電流檢測之后輸出至風(fēng)光互補(bǔ)控制器。經(jīng)過風(fēng)光控制器的電能給蓄電池充電，給負(fù)載供電。
3 結(jié)語
利用高層寫字樓頂上耗電大的大型中央空調(diào)的排風(fēng)資源和充裕的太陽光，來實(shí)現(xiàn)風(fēng)能及太陽能互補(bǔ)發(fā)電，之后通過控制系統(tǒng)給蓄電池充電，再提供給負(fù)載使用的這樣一個(gè)小型發(fā)電系統(tǒng)。充分利用廢置的中央空調(diào)排風(fēng)資源和太陽能自然資源的互補(bǔ)性，兩者具有的匹配性，同時(shí)對環(huán)境無污染，運(yùn)行維護(hù)成本低，供電可靠性高，真正可以做到資源綠色節(jié)能環(huán)保，值得深入研究和推廣。